北衛(wèi)城大戰(zhàn)之后的第三天，烏利可汗率領柔然主力到達了野孤嶺前線。這位身經(jīng)百戰(zhàn)又有雄才大略的君王沒有責罰扎蘭丁和失烈門，而是先祭拜了野孤嶺戰(zhàn)場，又祭奠了在北衛(wèi)城戰(zhàn)死的將士，并派出了大量小股騎兵到大同周邊進行哨探。當確認雁門關外并無周朝援兵后，他親率十萬兵馬一舉包圍了大同城。之后，烏利可汗讓部隊進行了兩次試探性的進攻，結果都被擊敗。隨即，他命令大軍在大同城外挖塹筑壘，打算長期圍困該城。
針對柔然人的部署，宋啟愚也對城防進行了相應的調整。考慮到朝廷援軍在短時間內難以到達，又念及敵人兵力強大，不能馬上擊破，宋啟愚隨向東邊的張洪濤和西邊的張永德發(fā)信求助。由于西北地區(qū)也在抗擊柔然和西羌的進攻，無力它顧，所以張永德并未理睬關北來的信使。倒是燕熱宣慰使張洪濤在了解了關北戰(zhàn)況后，下令媯州、武州等地抽調部隊，伺機支援大同?？墒牵渲萱?zhèn)守使馬慶明因怨恨宋啟愚彈劾過其子馬健東，以本地也有戰(zhàn)事為名，拒絕出兵關北，并扣下了宣慰使司發(fā)往其他各州的調軍文書，致使支援關北的軍隊始終未能組建。
烏利可汗在圍城半個月之后，對大同城發(fā)動了進攻。宋啟愚登上城樓，迅速判斷了柔然人的攻擊重點。他對身后的將領們說道：“從地形上看，北衛(wèi)城地勢最高，西衛(wèi)城次之，敵人一定會重兵攻擊這兩處。而東衛(wèi)城和南城，敵人均要仰攻，需付出較大代價。故而，段衛(wèi)國、曹可用?！倍⒈┒Y道：“在?！彼螁⒂廾畹溃骸澳愣思纯填I三千兵馬到北衛(wèi)城去，跟那里的莊必成、宋啟智一道固守城池?！倍⒋鹆寺暿牵D身下城，點兵前去御敵。宋啟愚又命令說：“吳襄，常斌，你們領三千兵馬到西衛(wèi)城，跟李開復、董陽共同打擊敵軍?！倍㈩I令，往西衛(wèi)城去了。接著，宋啟愚又命令張廣勝和伍名帶著一千弓箭手加強東衛(wèi)城防御，郭林和姚凱帶著一千士兵加強南城防御。待眾將走后，宋啟愚叫過毛小和申鯉，讓他們各帶兩千兵馬隨時準備增援各處。最后，宋啟愚跟余天錫說：“該讓炮隊一顯身手了。你們訓練得怎么樣？能投入戰(zhàn)斗嗎？”余天錫興奮地說：“咱這五百人早就準備好了，隨時都能上戰(zhàn)場?！彼螁⒂迗砸愕卣f：“好。等敵人的第一輪攻擊結束，我就大體上能判定出他們究竟要強攻哪里。到時候，你把三十門大炮全都架上城頭，集中攻擊柔然人的沖鋒部隊，消滅敵人的有生力量?！庇嗵戾a大聲叫嚷道：“末將遵令?！?p> 從辰時開始，柔然大將哈量臺命令部隊反復沖擊著北衛(wèi)城。四千多柔然騎兵來回奔馳，箭發(fā)如雨，器械部隊運送著砂石木料上前填埋河道。城上的莊必成、宋啟智等將領則以弓箭、床子弩還有拋石車打擊著敵軍。不時有將士倒下，雙方的傷亡都很大。在東衛(wèi)城，張廣勝和伍名也在奮力抵擋來自扎蘭丁的攻擊。在南城，失烈門親臨一線，與士兵們一同攻城，甚至在身中兩箭的情況下，也不愿后退。戰(zhàn)斗最為激烈的，當屬西衛(wèi)城，柔然宰相摩柯莫命五千重裝騎兵前出到護城河邊，掩護后面的器械部隊架設浮橋。由于這些士兵和戰(zhàn)馬通身都有重甲保護，動作雖然遲緩，卻不會被弓箭所傷。這給周軍造成了極大的困擾。董陽惱怒地擂著城垛罵道：“媽的，這些狗日的‘鐵浮屠’，咋就射不死呢！命令拋石車加快拋射速度，一定不能讓他們把浮橋架起來?！本驮谶@時，一支雕翎向他面門飛來。董陽想躲已經(jīng)來不及了。他只能最大限度地向旁邊甩頭。就聽“嘣”的一聲，董陽中箭，摔倒在幾尺開外。身邊的士卒趕緊上去搶救。董陽滿臉是血，嘴里還噴著血沫說：“托木豆，樓了個的破了……”幾個親兵聽不清楚他說什么，先幫他檢查了傷勢，這才發(fā)現(xiàn)他的幾顆牙齒被箭鏃擊落，腮幫子上還被射穿了一個洞。在不遠處指揮作戰(zhàn)的吳襄跑過來，一邊讓人替董陽上藥包扎，一邊吩咐說：“奶奶的，讓大伙把箭頭都沾上桐油，用火箭射他們。你們再去調幾架床子弩來，射穿了這些混蛋?！?